Нещодавно одразу два дослідження українських науковців з’явилися на сторінках фахових журналів, що належать до видавничої групи Nature1. Обидві роботи стосувалися вивчення кісток китів і обидві відкривали великий простір для подальших обговорень. Ми поспілкувалися зі співавтором досліджень, зоологом і провідним науковим співробітником Інституту зоології імені Шмальгаузена Павлом Гольдіним про те, що можна побачити у китових кістках та як українські дослідники допомагають краще зрозуміти еволюцію та майбутнє.
Про що розповідають китові черепи
Китові черепи, довжина яких може сягати шести метрів, приховують чимало таємниць. Впродовж багатьох років Павло Гольдін розглядав кістки вимерлих і сучасних китів у музейних колекціях світу. В якийсь момент він помітив, що в деяких черепах трапляються додаткові кістки. Це здалося цікавим. В інших наукових працях не було згадок про них, а отже, можливо, знахідка була важливою для науки. Разом із колегою Валерією Теліженко Павло припустив: поява нових кісток пов’язана з тим, що черепи китів довго не костеніють, зберігаючи «молодість». Але для чого вони потрібні? Це унікальне явище для китів чи в інших ссавців, зокрема людей, теж є така особливість? На цих питаннях і китових кістках постало дослідження2, яке охопило минуле і майбутнє найбільших тварин на планеті.
Від амфібій до китів — і назад
Життя зародилося в воді. Мільйони років одноклітинні організми еволюціонували, ускладнювалися та врешті перетворилися на амфібій, які одного дня вийшли на сушу. Ці палеозойські створіння мали багато кісток, як риби, а також кінетичні черепи: їхні черепні кістки не були міцно сполучені й могли рухатися одна відносно одної. Багато хто з сучасних наземних хребетних — жаби, змії, птахи — мають схожу анатомію. Вони полюють на здобич, яка часом перевищує їх самих у декілька разів. Рухливі кістки черепа дозволяють їм широко відкривати пащу та заковтувати їжу.
Проте від амфібій пішла й інша гілка еволюції. Дитинчата ссавців ще зберігають рухливість черепів, що полегшує їм процес народження. Але коли вони дорослішають і переходять на тверду їжу, потреба в рухливому черепі відпадає. Навпаки, нестабільне з’єднання кісток заважатиме кусати та жувати. Тож черепи ссавців у процесі еволюції скостеніли, кількість кісток зменшилася, а єдиною рухливою кісткою залишилася нижня щелепа.
Хоча це може здаватися неочевидним, але кити — справжні звірі. Найближчим родичем китів є гіпопотам. На тій самій еволюційній гілці також є корови, олені та свині. Спорідненість китоподібних і парнокопитних3 помітили ще у ХVIIІ столітті. Тварини мають схожу будову черепів, а також характерні багатокамерні шлунки, яких немає в інших видів. Вивчаючи залишки прадавніх китів у другій половині ХХ століття, палеонтолог Філіп Ґінґеріч4 також виявив у них невід’ємну ознаку ратичних копитних — таранні передплюсні кістки на задніх кінцівках, — які повністю відповідали кісткам парнокопитних. Згодом було винайдено технологію ПЛР, а за нею — і швидкі методи визначення спорідненості за ДНК, які остаточно довели, що кити, корови та бегемоти — родичі.
Мільйони років тому протокити були більше схожими на парнокопитних звірів, ніж тепер. Вони мали чотири лапи, були розміром із великого собаку та харчувалися на суходолі. Але з часом поступово переміщалися до океану, аж доки в якийсь момент протокит, пірнувши у воду, більше не вийшов на сушу. Чому кити перейшли до водного способу життя? Найбільш імовірна відповідь: бо могли. В океані кити не мали такої великої конкуренції за їжу, як на суші. На момент їхнього переходу у воді вже не лишилося багатьох великих хижаків — мезозаврів, іхтіозаврів, плезіозаврів. Тож кити швидко зайняли нішу найбільших хижаків та відкрили для себе величезні можливості харчування.
Попри те, що навіть у воді кити лишилися ссавцями, їхній спосіб харчування відрізняється від інших. Вони не жують їжу, як парнокопитні з міцними черепами та рухомою нижньою щелепою. Зубаті кити захоплюють їжу, наче пінцетом, а вусаті взагалі не мають зубів — вони всмоктують їжу разом з водою та відфільтровують воду через . Тож харчування китів більше схоже на те, як їдять амфібії чи новонароджені дитинчата ссавців. Саме тому кістки їхніх черепів так повільно костеніють, зберігаючи рухливість китової пащі та дозволяючи поглинати їжу.
Цікаво при цьому, що черепи парнокопитних мають схожу анатомічну будову — тільки набагато менш виражену. Павло та Валерія дослідили індійського оленя-мунтжака та побачили в його черепі появу додаткових кісток. Припускають також, що додаткові кістки можуть бути і в української сарни. Черепи парнокопитних, які живуть на суходолі та харчуються твердою їжею, костеніють швидше, тому додаткові кістки в них з’являються рідше. А ось кити, з їхнім водним способом житті та особливостями харчування, зберігають «молодість» та рухливість черепів. Їхні кістки зростаються повільно, в скелеті з’являються нові кістки — або дуже старі кістки, які колись були в скелетах прадавніх амфібій.
Тож кити стають більш подібними до своїх пращурів. Рухливі черепи та додаткові кістки можуть давати їм перевагу у водному способі життя. Зокрема, вони можуть дозволяти китам ще ширше розкривати пащу та захоплювати ще більше здобичі. Роль нових кісток та їхнє значення для життя китів ще потребують досліджень і підтверджень, але їх наявність і повільне скостеніння черепів китів не викликають сумнівів.
На плечах китів
Черепи — не єдині кістки, які зацікавили вчених. В іншому дослідженні5 головну роль відвели одній надзвичайній кістці — плечовій.
По-перше, так, у китів є плечі. Перейшовши до водного способу життя близько 40 мільйонів років тому, вони не позбулися анатомічних та фізіологічних структур, притаманних сухопутним тваринам. Натомість почався еволюційний процес їхньої видозміни, який триває й досі.
Науковці спробували дослідити процес на основі плечової кістки китоподібних. Втім це виявилося нелегко. Плечова кістка має складну, інтуїтивно незрозумілу форму. Вона одночасно і кубічна, і кругла, і трикутна. З одного боку опукла, з іншого — пласка. Все це створює багато перепон для дослідження. Спочатку вченим потрібно було зробити тривимірні скани всіх кісток, що їм вдалося відшукати в музейних колекціях. Далі — розробити систему координат, щоб порівняти між собою кістки. Для цього на тривимірну модель наносилися віртуальні мітки, за якими потім порівнювали схожість та анатомічну будову. Врешті робили молекулярно-генетичні порівняння, щоб подивитися, як змінювалися кістки впродовж років.
Плечова кістка надзвичайно важлива для руху китоподібних. До цієї кістки кріпляться всі рухомі суглоби та м’язи ластів кита, завдяки яким тварини можуть пересуватися водами океанів. Науковцям вдалося з’ясувати, що в процесі еволюції відбулося закручення головки плечового суглоба, вкорочення та вирівнювання середньої частини кістки та розширення кінців кістки. Всі ці зміни потрібні для адаптації до водного способу життя. Втім найцікавішим виявилося те, як саме відбувався еволюційний процес.
Як рухається еволюція
Говорячи про еволюційний процес, згадаймо одразу Чарльза Дарвіна, його дослідження на Галапагоських островах, а також термін «природний добір», яким науковець пояснював зміни в живих організмах.
Природний добір — це збереження та відтворення тих характеристик, які роблять організми найбільш пристосованими до виживання. Ця концепція передбачає цілеспрямованість еволюції — все в нашому тілі з’явилося не просто так, а тому, що має значення для виживання нашого виду. Щоб розібратися, як працює природний добір, розгляньмо дві найтиповіші його форми — стабілізуючий і рушійний.
Стабілізуючий добір прагне зберегти оптимальну форму і відсікає всі екстремальні значення, які відходять далеко від оптимуму. Наприклад, так сформувалась кількість пір’я у птахів. Якщо пір’я буде забагато — птах не зможе злетіти, якщо замало — не зможе підтримувати температуру тіла. Тож відкинувши всі екстремальні значення в процесі еволюції, сучасні птахи мають оптимальну кількість пір’я, яка відтворюється у всіх наступних поколіннях.
Рушійний добір діє дещо інакше. Він зсуває оптимальне значення в той бік, який дасть більше переваг для виживання в певних умовах. Тобто норма не стабілізується, а починає рухатися певною траєкторією. Наприклад, у прадавніх китів ніздрі розташовувалися на самому краєчку морди, як у собак. Коли вони перейшли до водного способу життя, таке розташування ніздрів стало незручним. Через нього протокити мали постійно тримати голову над водою під час плавання. Тож із часом їхні ніздрі перемістилися на саму верхівку голови, посунувшись навіть далі за очі. Сучасним китам не потрібно піднімати всю голову над водою, щоб ковтнути повітря. Еволюція рухала оптимальну ознаку в бік найбільшої переваги в умовах змінених обставин життя.
Але не все можна пояснити природним добором. Саме тому існує поняття генетичного дрейфу. Це стохастичний, випадковий процес, коли зміна ознаки стається просто так і не дає жодної переваги. Зазвичай генетичний дрейф можна спостерігати в ізольованих популяціях, коли мутація генів засновника популяції перемагає над вимогами природного добору. Наприклад, перші європейські колонізатори6 Південної Америки привезли з собою ген, що викликав хорею Гантінгтона. Через ізольованість поселення ген цього невиліковного нейродегенеративного захворювання поширився у групі. З часом відсоток людей із таким геном, зокрема, у Венесуелі став непропорційно великим. Сьогодні ця хвороба трапляється там частіше, ніж в інших частинах світу. Очевидно, що такий ген не дає переваги носіям у виживанні, хоча сприяє їх розмноженню. І стабілізуючий, і рушійний добір мали б відсікти цю ознаку від загальної популяції задля виживання. Втім вона змогла поширитися та вкорінитися внаслідок генетичного дрейфу.
Повернімося до китів. Учені прагнули з’ясувати, чи змінилися їхні плечові кістки під впливом природного добору чи генетичного дрейфу. Тобто чи була адаптація до водного способу життя спрямованою, а чи випадковою. Результати дослідження здивували науковців. Одні показники вказували на те, що природного добру не було й еволюція відбувалася випадково. Але інші підтверджували послаблений, але все ж наявний стабілізуючий добір. Доводилося визнати, що для кісток китоподібних потрібна більш складна еволюційна модель. Подібну, але не ідентичну модель еволюції описали англійські дослідники у 2018 році, назвавши її моделлю «мухи в пляшці».
Уявімо собі, як муха літає всередині скляної пляшки. Поки вона обмежена стінками, траєкторія її польоту може бути будь-якою. Тобто коливання оптимальних ознак може дрейфувати в той чи інший бік. Але щойно муха вилетить із пляшки, в гру вступить природний добір і відсіче всі екстремальні ознаки, які шкодитимуть виживанню.
У випадку з китами спостерігається схожа модель. Їхній перехід до життя у воді послабив силу природного добору. Їм більше не треба було лазити по деревах, ганятися за здобиччю чи конкурувати з іншим ссавцями. Вони могли вільно плисти та їсти у тривимірному просторі. Тож їхня еволюція могла рухатися в той чи інший бік, дрейфувати в якомусь напрямку — але до певної міри, бо все ж таки добір, хоч і послаблений, тримав їх у деякій оптимі та на певній траєкторії.
До цього інші науковці знаходили подібну еволюційну модель у птахів7 та камбал8. Дослідження українських вчених вперше підтвердило модель послабленого добору та генетичного дрейфу у ссавців. Науковці мають припущення, що такий еволюційний процес є набагато більш поширеним у природі, ніж вважалося раніше. Можливо, всі попередні теорії про еволюційні моделі є взаємодоповнювальними. Може виявитися, що і стабілізуючий, і рушійний добір, і генетичний дрейф — це не окремі моделі, а частина одного еволюційного процесу.
Куди еволюція рухатиметься далі? Якими будуть кити майбутнього? Зараз ми живемо в часи розквіту та диверсифікації дельфінів. Їхня форма тіла — це один із оптимумів, до якого дійшла еволюція китоподібних. Тож є ймовірність, що майбутні еволюційні процеси обертатимуться навколо неї. Інший варіант — вусаті кити або кашалоти, які теж наблизилися до оптимальної еволюційної форми. Важко передбачити, яким шляхом піде еволюція китів, коли на них не так сильно тисне природний добір і є простір для генетичного дрейфу. Можливо, в їхніх черепах з’явиться ще більше додаткових кісток і вони зможуть їсти більше здобичі. Можливо, їхні плечові кістки ще сильніше мутують, роблячи з китів досконаліших плавців і пірнальників. Головне в цьому процесі — не втратити китів як таких через зміни клімату і забруднення океанів. Якщо зберегти цих найбільших тварин, на нас чекатиме ще багато дивовижних відкриттів.
